Chercheur en physique des particules, ça vous tente? 1. Présentation du projet Vous avez été retenus pour participer aux recherches du nouveau détecteur AMS-2 (poursuite du projet AMS) aux côtés de Samuel Ting (prix Nobel de physique en 1976) qui est le scientifique à l origine de ce projet. Des particules ont traversé le détecteur : un électron, un noyau d hélium, un photon gamma et un noyau de carbone. Votre équipe doit rédiger un rapport structuré et argumenté dans lequel vous devrez attribuer les évènements aux différentes particules détectées numérotées de 1 à 4 et ainsi les identifier. Vous devrez appuyer votre réflexion sur les informations fournies par les documents en citant à chaque fois le document référent. Pour conclure, vous devrez expliquer si la mise en évidence de ces particules permet à l AMS de remplir son rôle. 2. Liste des documents à votre disposition Un dossier complet vous est fourni pour vous aider dans vos recherches, il comporte différents documents : Un lien pour expliquer ce qu est le projet AMS (vidéo de 4 43 en anglais) : http://multimedia.esa.int/videos/2010/07/ams-searching-the-unknown Un document illustrant le principe de fonctionnement d AMS. doc 1 Un document présentant certaines des grandeurs qui permettent d identifier une particule doc 2 Un document illustrant le comportement d une particule dans un champ magnétique. doc 3 La présentation d une expérience : déviation d un faisceau d électrons par les bobines de Helmholtz ; photos et explications jointes doc 4 Un document illustrant le principe de l effet Cherenkov... doc 5 Un document présentant le fonctionnement d un calorimètre électromagnétique doc 6 Un document présentant les caractéristiques d AMS (signal obtenu pour les différentes particules). doc 7 Des résultats d évènements correspondant aux particules à identifier (obtenus le 22 mai 2011). La mesure répétée et redondante des propriétés des particules qui traversent l instrument permet d atteindre une capacité d identification des particules exceptionnelle. 1
3. Vos documents Doc 1 : Principe de fonctionnement du détecteur AMS (Extrait d un diaporama de Sylvie Rosier-Lees directeur de projet AMS France) A l intérieur du détecteur AMS, les particules traversent plusieurs détecteurs en pénétrant par le haut : TRD, TOF1, TRACKER (trajectomètre), TOF2, RICH détecteur à effet Cherenkov, ECAL (calorimètre électromagnétique). Principales étapes : Les particules interagissent avec la matière traversée : A) Le trajectomètre : il permet d enregistrer la trajectoire en créant un courant lors de la traversée de détecteurs en silicium. Un aimant qui entoure ce TRACKER courbe la trajectoire. B) Le détecteur Cherenkov (RICH) : il fournit des renseignements lors du passage dans le milieu sur Z² et sur la vitesse. C) Déclenchement au passage des TOF : cela permet de mesurer la durée entre ces détecteurs et donc d obtenir la vitesse. D) Identification des particules dans les différents détecteurs : on accède ainsi à Z, m, v et E. Doc 2 : Quelques grandeurs mesurées pour les particules grandeur numéro atomique charge de la particule masse de la particule vitesse de la particule énergie symbole Z q m v E 2
Doc. 3 : L aimant et son rôle dans le détecteur TRACKER L aimant permanent (extrait du site http://lapp.in2p3.fr/spip.php?rubrique589 lundi 21 juin 2010 / Jean-Pierre Vialle / Physicien (IN2P3) L aimant permanent forme un cylindre de 1,114 mètre de diamètre intérieur et de 83 cm de haut, d une masse de 2 tonnes. Son matériau est un composé de néodymium, de bore et de fer. La configuration des éléments magnétisés de l aimant est faite de manière à donner, à l intérieur, un champ dipolaire de 0,15 T en moyenne, perpendiculaire à l axe du cylindre. Le rôle de l aimant est de courber la trajectoire des particules chargées qui le traversent afin que l on puisse mesurer l impulsion de la particule par le rayon de courbure de sa trajectoire et le signe de la charge électrique par le sens de courbure (deux particules de charges opposées voient leur trajectoire courbées en sens inverse). Le signe de la charge électrique est très important pour identifier les particules, mais aussi pour reconnaître l antimatière : un noyau atomique d antimatière porte une charge électrique négative, contrairement à son homologue fait de matière. Le champ magnétique produit par l aimant à l intérieur de son volume utile est très élevé, environ 4000 fois le champ magnétique terrestre, mais à l extérieur le champ ne doit pas avoir de composante dipolaire et tomber très rapidement à zéro. Si l aimant donnait un champ avec une composante dipolaire à l extérieur, alors le déplacement avec la station dans le champ magnétique terrestre induirait une force de rotation sur l aimant, qui se mettrait à tourner sur lui-même en entraînant dans cette rotation la station spatiale ISS (station spatiale internationale). La présence d un champ magnétique important à l extérieur de l aimant pourrait aussi être dommageable pour les autres expériences très sensibles qui seront installées sur la station, mais encore plus pour les spationautes qui devront sortir dans leur combinaison spatiale pour travailler sur la station et dont certains éléments de l habillement sont sensibles au champ magnétique. 1 Gauss = 10 4 Tesla On voit sur l image ci-dessus comment les barreaux sont fabriqués chacun avec une direction de l aimantation différente, de manière à ce que leurs effets se combinent à l intérieur du cylindre, mais qu au contraire à l extérieur ils se compensent deux à deux pour former au total un champ quasiment nul. Extrait du diaporama CERN (programme enseignants Juillet 2007 par Elena Wildner) Règle de la main droite (D après Wikiversité) Une particule chargée + placée dans le champ magnétique B vertical subit une force F qui incurve sa trajectoire selon : 3
Doc 4 : Déviation d un faisceau d électrons par les bobines de Helmholtz Le faisceau d électrons, produit en allumant le premier générateur, est vertical : le vecteur vitesse de chaque électron l est donc aussi et est dirigé vers le haut. Mais, il s agit d une particule chargée négativement ; il faut donc orienter l index dans l autre sens. Le faisceau est soumis à un champ magnétique dû à des bobines parcourues par un courant. S aider du dispositif pour vérifier la règle de la main droite proposée dans le doc. 3. B B Vue de face Vue de côté Vue de face Vue de face lorsque le courant circule dans les bobines, donc en présence du champ magnétique 4
Doc 5 : Effet Cherenkov utilisé dans le détecteur RICH (extrait d un diaporama de Sylvie Rosier-Lees directeur de projet AMS-France) Un rayonnement Cherenkov est émis quand une particule chargée traverse un milieu diélectrique avec une vitesse b supérieure à la vitesse de la lumière dans le milieu : v 1 1 > => β > β seuil =, avec n indice du milieu (n>1) c n n L émission a lieu sur un cône d angle au 1 sommet θc tel que : cos(θ c ) = nβ Se produit dans tous les milieux transparents, y compris les scintillateurs, mais 100 fois plus faible que la scintillation. NaF Particule incidente chargée Aerogel θ c La lumière du cône est détectée sur cette partie Mesure de la vitesse de la particule chargée grâce à l angle θc (β n cosθc = 1) Mesure de Z et de la charge électrique car le signal est proportionnel à Z² Comment varie la vitesse si θc augmente? Comment varie Z si l épaisseur de la trace augmente? 5
Doc 6 : Calorimètre électromagnétique ECAL Traces obtenues avec différentes particules 6
Doc 7 : Comment interpréter les signaux électriques observés par AMS? Les particules qui comportent un trait au dessus de leur symbole sont des antiparticules. La première colonne indique le détecteur et les colonnes suivantes montrent l allure des signaux observés quand la particule traverse le détecteur concerné. 4. Evènements à analyser (relevés en mai 2011) Voici une coupe du détecteur AMS ; quatre particules l ont traversé de haut en bas. TRD TOF 1 TRACKER TOF2 RICH ECAL Particule n 1 Particule n 2 7
Particule n 3 Particule n 4 Clichés obtenus au niveau du RICH : Particule n 4 Particule n 1 Particule n 3 8